- 1 -
Napájacie zdroje
Viac ako 30 rokov pred Faradayom vyrábali elektrickú energiu, pohybom vodiča v
magnetickom poli, Alessandro Volta, v roku 1800, objavil iný spôsob, ako vyrobiť elektrinu.
Volta, objavil, že dva rôzne kovy oddelené elektrolytom vytvárajú malé elektrické napätie,
ktoré by mohlo pretláčať prúd cez vonkajší obvod, ktorý by bol pripojený medzi dve kovové
elektródy.
Takto vznikol prvý elektrochemický článok, predchodca modernej batérie. Rôzne kombinácie
materiálov elektród, vytvárajú rôzne veľkosti napätia, ktoré sa pohybujú obvykle v rozsahu 1-
2 V. Vyššie napätia batérií, sa dosahujú spojovaním elektrochemických článkov v batérii do
série. Napätie takto vytvoreného elektrochemického systému má konštantnú polaritu, čiže prúd
v pripojenom obvode tečie stále rovnakým smerom. Prúd je preto jednosmerný (DC), na rozdiel
od prúdu striedavého, ktorý je produktom elektromechanických alternátorov.
Elektrochemické články (všeobecne označované ako batérie) poskytujú relatívne nízke hodnoty
energie a napätia a tomu odpovedajúce výkony, pre menšie elektronické zariadenia. Väčšie
batérie, napr. ako používajú automobily poskytujú väčšie množstvo energie (napr. prúd väčší
ako 100 ampér) avšak počas krátkeho času. Nakoniec sú však všetky vybité, musia byť
vymenené alebo dobité novou energiou.
Existuje viac druhov batérií. Primárne batérie nemožno dobíjať, takže keď sú “mŕtve” musíme
ich vyhodiť. Oproti tomu sekundárne batérie sú dobíjateľné, strata energie sa hradí prívodom
elektrickej energie, ktorá obnovuje reakčnú schopnosť a koncentráciu dôležitých komponentov
batérie.
Rozdelenie batérií podľa použitia:
Batérie priemyslové:
Staničné – 10 až 10
4
Ah
Pohonné – 10 až 10
3
Ah
Využívané pre účely priemyselných zariadení s vyššími kapacitami ako nezávislé zdroje
pohonnej energie.
Batérie staničné: Sú trvale dobíjané a zaisťujú neprerušené napájanie elektrickou energiou
v prípade výpadku napätia z rozvodnej siete v energetike, telekomunikáciach,
radiokomunikáciach so životnosťou niekoľko rokov.
Batérie trakčné: Používajú sa k pohonu elektrovozíkov plošinových, zdvíhaích,
elektromobilov. Pracujú s častým cyklom nabíjanie-vybíjanie preto ich životnosť sa udáva v
cykloch.
Batérie štartovacie: Používajú sa ako zdroje elektrickej energie pri spúšťaní spalovacích
motorov, lietadiel, lodí a dieselagregátov. Pre nich je charakteristické, že počas niekoľkých
sekúnd musia byť schopné dodať vysoké hodnoty elektrického prúdu rádovo
103 A.
Batérie prístrojové: Používajú sa ako jediný zdroj elektrickej energie v rôznych mobilných
zariadeniach a prístrojoch-meracích, mobilných telefónoch, rádioprijímačoch, počítačoch,
fotoprístrojoch atď.
- 2 -
Rozdelenie podľa systému nabíjania:
Elektrickým prúdom: jednosmerným, impulzným, striedavým asymetrickým
Mechanicky: výmenou opotrebených záporných zinkových elektród (aku-zinok-
vzduch)
Chemicky: v prípade palivových článkov
Tepelne: špeciálnym elektrolytom
Svetelne: fotochemickou oxydáciou FeSO
4
v roztoku H
2
SO
4
Ionizujúcim žiarením: radioaktívné palivové regeneračné články
Rozdelenie podľa použitého elektrolytu z hľadiska chemického zloženia:
kyslé elektrolyty (H
2
SO
4
): používané v olovenných akumulátoroch
alkalické elektrolyty (KOH): používané v aku NiCd, Ag-Zn...
neutrálne elektrolyty: primárne horčíkové články (s vodou), voda-lítium
nevodné elektrolyty: v (propylénkarbonátové batérie)
tuhé elektrolyty: unipolárné iontové kryštály pre prev. teploty -550C
Typ článku
Pb – H
2
SO
4
Ni – Cd
Ni – Mh
Li – Ion
Napätie článku [V ]
2
1,2
1,2
3,6
Merná energia [Wh/kg ]
1 – 60
20 – 55
1–80
3 – 100
Merný výkon [W/kg]
< 300
150 – 300
< 200
100 – 1000
Hustota energie [kWh/m
3
]
25 - 60
25
70 – 100
80 – 200
Hustota výkonu [MW/m
3
]
< 0,6
0,125
1,5 – 4
0,4–2
Maximum cyklov
200 – 700
500–1000
600 – 1000
3000
Rozsah vybíjacieho času
> 1 min
1 min – 8 hod
> 1 min
10 s – 1 hod
Cena [Euro/kWh]
125
600
540
600
Cena [Euro/kW]
200
600
1000
1100
Účinnosť [%]
75 – 90
75
81
99
Článok, predstavuje samostatnú jednotku, ktorá mení chemickú energiu na energiu elektrickú.
Článok má tri časti: elektródy, elektrolyt a nádobu. Viac článkov sa spája obvykle do útvaru,
ktorý nazývame batériou alebo akumulátorom.
Elektródy predstavujú prúdové vývody článku.
Elektrolyt je prostriedok pre chemickú reakciu, systému.
Nádoba alebo kontajner slúži na uloženie elektrolytu a sústavy elektród.
Existujú dva základné typy batérií:
1. Primárny článok je taká batéria pri ktorej sa chemickou reakciou zničí (vyčerpá) jedna
jej elektróda, obvykle to býva elektróda záporná. Primárny článok nie je dobíjateľný.
2. Sekundárny článok alebo batéria (lepší je názov batéria ako akumulátor) je taká batéria
v ktorej chemický proces zmení elektrolyt ale aj elektródy. Zmenený elektrolyt a
elektródy je však možné obnoviť do pôvodného stavu dobíjaním elektrickým prúdom.
Anóda je záporná elektróda (pól/vývod) batérie. Poskytuje elektróny a negatívne ionty. Na nej
prebieha “okysličovanie”, čiže jej materiál sa zničí chemickou reakciou.
Katóda je kladná elektróda (pól/vývod) batérie. Prijíma elektróny a kladné ionty. Predstavuje
miesto “redukcie”, čiže miesto kde sa chemickou reakciou získava materiál.
Batérie olovené: Sú to typické automobilové batérie s napätím 12 V. Batérie olovo-kyselina
obsahuje 6 článkov zapojených za sebou, čiže každý má napätie 2 V. Každý článok obsahuje
- 3 -
dva vývody z lisovaného materiálu tvoriace elektródy: anóda sa skladá z amalgamu Pb (olova)
a prášku, katóda pozostáva z amalgámu a prášku PbO
2
(kysličník olovičitý). Mriežky sa ponoria
do elektrolytu ktorý tvorí voda a kyselina sírová H
2
O + H
2
SO
4
. Sklolaminátové listy, zabraňujú
fyzickému skratu. Pri vybíjaní, sa dodáva elektrická energia do záťaže.
Základným typom olovených batérií-akumulátorov sú akumulátory uzavreté vetrané so
zaplavenými elektródami do elektrolytu. Akumulátor pozostáva z jednotlivých článkov ktoré
sú spojené do série. Podľa počtu článkov spojených do série sa vytvára napätie akumulátora na
jeho vývodoch (6 V, 12 V, 24 V...) pričom napätie článku je 2 V. Články sú zaplavené
elektrolytom, sústava je umiestnená do akumulátorovej nádoby a v hornej časti je plynovací
priestor na doplňovanie elektrolytu počas prevádzky. Hladina elektrolytu nesmie klesnúť pod
úroveň horných okrajov elektród. Článok je tvorený olovenými elektrodami kladnými a
zápornými (olovo + legovacie prísady) a po spojení vyvedené na vývody anóda, a katóda. Horné
veko obsahuje spojky článkov, plniaci otvor s ventilov, indikátor hladiny elektrolytu.
Akumulátory sa dodávajú buď naplnené elektrolytom uvedené do činnosti, alebo „suché“, ktoré
sa plnia tesne pred použitím elektrolytom. Výhodou týchto suchých akumulátorov je, možnosť
ich uskladnenia, v suchom prostredí, ktoré neskracuje ich životnosť.
Zátky: plynotesné (odplynovanie), indikujúce (hladina elektrolytu, alebo stav vybitia),
bezpečnostné (proti výbuchu zmesi kyslík-vodík), automatické doplňovanie vody...
Obrázok 1 Olovená batéria
Olovená batéria je najpoužívanejším sekundárnym elektrochemickým zdrojom prúdu.
Vyrábajú sa kapacitami rádovo od 1 do 10.000 Ah. Dôvodom je dobre zvládnutá výroba
relatívne nízká cena, prevádzková spoľahlivosť, dobrá účinnosť a dostatočný výkon. Výroba a
parametre podliehajú normám a predpisom EU a STN.
- 4 -
Základné elektrochemické reakcie olovených batérií:
Elektrolyt je kyselina sírová H
2
O
4
, mernej hmotnosti-hustoty 1,24 až 1,28 g/cm
3
dokonalej
čistoty dodávané v polypropylénových alebo polyetylénových nádobách. Elektrická vodivosť
elektrolytu, závisí od jej hustoty a teploty a pri vybíjaní akumulátora sa hustota znižuje a klesá
vodivosť. Pri nízkych teplotách elektrolyt uvoľňuje vodu, preto môže zamŕzať.
Voda pre doplňovanie elektrolytu nesmie obsahovať nečistoty a stopy chemických látok. Preto
nevyhovuje pitná voda voda destilovaná (určená pre akumulátory). Vodu do akumulátorov
plníme len do výšky určenej indikátormi pomocou lievika.
Záporné elektródy: Ich aktívna hmota je porovitá (hubovité) olovo. Pri vybíjaní uvoľňujú
elektróny. Pb → Pb
2+
+ 2e
-
a reagujú so zápornými iónami kyseliny sírovej (oxidujú) za vzniku
sulfátu (síranu) olovnatého: Pb + SO
4
2-
→ PbSO
4
+ 2e
-
Kladné elektródy: Ich aktívnou hmotou je kysličník (oxid) olovičitý (PbO
2
) v modifikáciách
, β. Elektróny, ktoré sú pri vybíjaní uvoľňované zápornými elektródami, putujú cez vonkajší
uzavretý elektrický obvod ku kladným elektródam. Súčasne sa oxid olovičitý redukuje za
vzniku síranu olovnatého a vody: PbO
2
+ 2H
+
+ H
2
SO
4
+2e
-
→ PbSO
4
+ 2H
2
O
Napätie oloveného akumulátora, hodnoty používané v praxi:
Menovité napätie článku: U
n
je zaokrúhlene 2 V
Napätie naprázdno: U
0
= 0,84 + (hustota elektrolytu v g/cm
3
pri 20º C. Prakticky je to 2,5
mV/ºC). Merať vždy 1 hodinu po nabití.
Nabíjacie napätie: U
nab
je vyššie ako U
0
Plynovacie napätie: je napätie 2,4 V na článok pri ktorom olovenný akumulátor začína
plynovať intenzívne v dôsledku elektrolýzy vody v elektrolyte za vzniku vodíka a kyslíka.
Konečné nabíjacie napätie: je napätie na konci nabíjania a pri konštantnom nabíjacom prúde
sa jeho hodnota už nemení. Podľa veľkosti vnútorného odporu, teploty a nabíjacieho prúdu,
býva jeho veľkosť v rozmedzí 2,4 až 2,8 V na článok. Pri uzavretých akumulátoroch, riadených
ventilom však nesmie prekročiť 2,4 až 2,47 V.
Vybíjacie napätie: U
vyb
je vždy nižšie ako U
0
, pričom rozdiel, je tým väčší čím väčším
vybíjacím prúdom je akumulátor vybijaný, čím má väčší vnútorný odpor a čím je nižšia teplota.
Konečné vybíjacie napätie: je predpísaná hodnota napätia akumulátora, pri ktorej je vybíjanie
považované za ukončené a ktoré udáva výrobca pre príslušný vybijací prúd.
Kapacita oloveného akumulátora C
N
: kapacita akumulátora je jeho schopnosť dodávať určitú
elektrickú energiu v žiadanom čase do poklesu napätia na minimálne prípustnú hodnotu. Udáva
sa v Ah. Na jej hodnotu vplýva:
Vybíjaci prúd: s rastúcou hodnotou vybíjacieho prúdu dochádza k väčšiemu zaťaženiu
povrchových vrstiev aktívnych materiálov. Vzniká sulfát olovnatý PbSO
4
, ktorý je objemnejší
a upcháva póry v povrchovej vrstve a tým zhoršuje lepšie využitie vrstiev hlbších. Preto klesá
využiteľná kapacita akumulátora a skracuje sa doba možného vybíjania.
- 5 -
Teplota: Pri teplotách nad 20 ºC kapacita mierne stúpa ale zvyšujú sa straty samovybíjanim a
skracuje sa životnosť akumulátora. Zvýšenie teploty o 10 ºC skracuje životnosť o 50%.Pri
nízkych teplotách klesá kapacita o 1% na 1ºC nie však lineárne.
Účinnosť akumulácie elektrickej energie: Vyjadruje ako efektívne môže akumulátor
elektrickú energiu akumulovať a následne ju vydať. Účinnosť klesá so zvyšovaním nabíjacieho
a vybíjaceho prúdu, s poklesom teplôt a starnutím akumulátora. Rozlišujeme:
Ampérhodinovú-prúdovu účinnosť: je to pomer náboja (Ah) odoberaného pri vybíjaní
batérie k veľkosti náboja potrebného na obnovenie počiatočného stavu nabitia:
[%, Ah, Ah]
Watthodinová (energetická) účinnosť: predstavuje pomer elektrickej energie (Wh) získanej
vybíjaním, k energii dodanej akumulátoru nabíjaním:
[%, Ah, Ah]
Charakteristika procesov olovenej batérie: Pri vybíjaní batérie sa znižuje koncentrácia
kyseliny sírovej. Súčasne sa na elektródové plochy, usadzuje síran olovnatý. Počas nabíjania je
postup opačný, ale malá časť síranu olovnatého zostáva usadená na elektródach, batéria pomaly
sulfatuje (sírenie elektród). Pri každom cykle nabitia/vybitia na elektródach zostávajú kryštály
síranu olovnatého, čím sa znížuje reakčná oblasť elektród, čo nepriaznivo ovplyvňuje výkon
batérie. Sírenie elektród je jedným z hlavných účinkov, ktoré ovplyvňujú životnosť batérií. Aby
sa zabránilo zrýchleniu sulfatácie, musia byť batérie nabité na 100% po každom cykle vybitia
a musia byť nabité pri plávajúcom napätí vyššom ako je menovité napätie. Pre olovené
akumulátory a v závislosti od technológie by malo byť plávajúce napätie medzi 2,08 V a 2,27
V / článok. Z toho istého dôvodu by sa nemali vybíjať pod 1,75 V / článok.
Vybíjanie olovenej batérie:
Reakcia na elektróde (-) anóda-Okysličovanie
1. Strata 2 elektrónov [2e
-
] vedie k okysličovaniu olova-ktoré sa stane kladne nabitým:
Pb → [2e
-
] + Pb
2+
2. Kladne nabitý atóm olova, reaguje s kyselinou sírovou a vytvára síran olovnatý a
uvoľnia sa 2 ióny vodíka v elektrolyte: Pb
2+
+ H
2
SO
4
→ PbSO
4
+ 2H
+
3. Po získaní 2 elektrónov [2
e-
] sa kysličník olovičitý redukuje na 2 ióny kyslíka a 1 ión
(II) olova: [2
e-
] + PbO
2
→ Pb
2
+ + 2O
2-
4. Ióny (II) olova reagujú s kyselinou sírovou a vytvárajú síran olovnatý a uvoľnia sa 2
ióny vodíka: Pb
2+
+ H
2
SO
4
→ PbSO
4
+ 2H
+
5. Vodíkové ióny (2) a (4) spolu s (3) iónmi kyslíka, vytvoria dve molekuly vody:
2H
+
+ 2H
+
+ 2O
2-
→ 2H
2
O
Reakcia vybíjania: Pb + PbO
2
+ 2H
2
SO
4
→ 2PbSO
4
+ 2H
2
O (síran olovnatý + voda)
Nabíjanie olovenej batérie:
Reakcia na elektróde (-) Redukcia
- 6 -
1. Pridaním 2 elektrónov [2
e-
] sa redukuje síran olovnatý na atóm olova a jeden ión síry:
[2
e-
] + PbSO
4
→ Pb + SO
4
2-
2. Ión síry (1), spolu s vodíkovými iónmi (5) tvoria kyselinu sírovú: 2H
+
+ SO
4
2-
→ H
2
SO
4
3. Stratou 2 elektrónov [2
e-
] síranu olovnatého dochádza k oxidácii, kde delením vzniká
ión olova (IV) a ión síry: PbSO
4
→ [2
e-
] + Pb
4+
+ SO
4
2-
4. Ióny síry sa rozpúšťajú vo vode – vytvárajú kyselinu sírovú a uvoľňujú ión kyslíka:
SO
4
+ H
2
O → H
2
S0
4
+ O
2-
5. Ióny olova (IV) (3) sa spájajú s iónmi kyslíka (4) a kyslíkovým atómom vody, vytvárajú
kysličník olovičitý a uvoľňujú sa 2 ióny vodíka: Pb
4+
+ O
2-
+ 2H
2
O → PbO
2
+ 2H
+
Reakcia-nabíjanie: 2PbSO
4
+ 2H
2
O → Pb + PbO
2
+ 2H
2
SO
4
(olovo + kysličník olovičitý)
Metódy nabíjania olovených batérií:
1. Konštantným napätím
2. Konštantným prúdom
3. Konštantný prúd / konštantné napätie(výkon)
Problém vyrovnávania článkov: So zvyšujúcim sa počtom článkov v sérii je napätie medzi
článkami nerovnomernejšie. Niektoré články budú preťažené a niektoré články nedostatočné.
Tento problém vedie k predčasnému zlyhaniu článkov.
So zvyšujúcim sa stavom nabitia má vnútorný odpor tendenciu klesať. Prúd sa teda zvyšuje, čo
vedie k ďalšiemu zvýšeniu stavu nabitia sprevádzaného zvýšením teploty. Oba efekty
prispievajú k ďalšiemu znižovaniu vnútorného odporu, ktorý zvyšuje prúd a teplotu. Tento
proces pozitívnej spätnej väzby sa nazýva tepelný únik.
Nabíjacie charakteristiky sa delia na tri základné skupiny. Používajú sa buď samostatne alebo
sa kombinujú tak, aby bol akumulátor optimálne nabíjaný a dobíjaný.
Nabíjacia charakteristika U = konšt.: znamená nabíjanie na konštantné napätie. Počiatočný
vysoký nabíjací prúd rýchle klesá a pokles sa spomaľuje až sa ustálý na hodnote odpovedajúcej
výške konšt. napätia. Nabíjací prúd na konci nabíjania je tak malý, že nepoškodzuje akumulátor.
Preto pri napätí 2,40 V/článok je možné akumulátor ďalej nabíjať 24 hod kedy prúd dosahuje
0,01 CN. Výhodou tohoto spôsobu je rýchla obnova el. náboja na začiatku nabíjania vybitého
akumulátora, bez poškodzovania kladných elektród článkov a šetrné nabíjanie malým prúdom.
Nabíjacia charakteristika I = konšt.: Behom nabíjania narastá napätie akumulátora, pričom
konečná veľkosť napätia je závislá na nabíjacom prúde a teplote elektrolytu. Výhodou je
- 7 -
lineárny nábeh kapacity akumulátora s časom nabíjania. Nevýhodou je preťažovanie článku
napätím vyšším ako 2,4 V/článok kedy sa tiež výrazne zvyšuje plynovanie akumulátora.
Nabíjacia charakteristika W = konšt.: nabíjanie akumulátora klesajúcim prúdom v závislosti
na vzostupe napätia. Počiatočný nabíjací prúd je menší ako nabíjací prúd pri U = konšt a
konečný nabíjací prúd je menší ako pri I = konšt. Ich pomer udáva tzv. strmosť nabíjača.
Nabíjačky sú jednoduchšie a preto lacnejšie.
Sulfatácia: Pri úplne nabitom akumulátore máme kladnú elektródu PbO
2
, zápornú elektródu z
čistého olova Pb a medzi elektródami elektrolyt - roztok kyseliny sírovej H2SO
4
v koncentrácii
37%, čo predstavuje roztok špecifickej hmotnosti (hustote) 1,28. Pri vybíjaní akumulátora na
oboch elektródach, vzniká biely síran olovnatý a zloženie oboch elektród sa zmení na PbSO
4
.
Úbytkom síry z kyseliny sa elektrolyt riedi – pri plne vybitom akumulátore (vybitie na 1,75
V/článok) je hustota asi 1,15.
Vratná sulfatácia: Keď akumulátor nabijeme ihneď po vybití, síran z elektród sa vráti do
roztoku elektrolytu a dostaneme akumulátor v rovnakom stave v akom bol pred začiatkom
vybíjania. Tento stav, kedy celý obsah síranu olovnatého konvertuje na Pb a SO
4
, je definovaný
hustotou elektrolytu, ktorá sa vráti na hodnotu 1,28.
Nevratná sulfatácia: Iná situácia nastane, keď akumulátor necháme vo vybitom stave dlhší
čas-hodiny až dni. Síran olovnatý na elektródach, ktorý má pôvodne amorfnú štruktúru,
kryštalizuje. Pri nabíjaní akumulátora v tomto kryštalickom stave už síran olovnatý oveľa horšie
konvertuje na Pb a na SO
4
. Pri plnom nabití akumulátor sa preto celé množstvo síranu nevracia
do roztoku elytu. To sa prejaví tým, že hustota elektroltu sa nevráti na hodnotu 1,28 ale na
nižšiu hodnotu.
Je sulfatácia reverzibilná? Väčšinou, sa k nabíjaniu olovených akumulátorov používa
jednosmerný prúd, obvykle získavaný usmernením striedavého prúdu a jeho vyhladením.
Takýto prúd je však najlepším predpokladom pre tvorbu sulfatácie a to pri okamžitom jeho
nabití hneď po vybití. Síran olovnatý, je izolantom a jednosmerný prúd izolantom neprechádza.
Z princípu činnosti kondenzátora, je známe, že striedavý prúd medzi dvomi vodičmi medzi
ktorými sa nachádza izolant, prechádza - lebo izolant sa medzi vodičmi nabíja a vybíja podľa
toho, aké je okamžité striedavé napätie medzi vodičmi.
Desulfatácia, umožňuje, aby akumulátor bolo možné používať v prevádzky schopnom stave a
nie je potrebné ho z dôvodu sulfatácie vyradiť skôr z prevádzky.
Princíp desulfatácie: Uvedený jav je možné veľmi účelne využiť pre odvrátenie neblahého
vplyvu sulfatácie. Keď necháme pôsobiť impulzy prúdu určitej frekvencie, tvaru a amplitúdy
za určitý čas na elektródy akumulátora, spôsobia, rozdelenie sulfátu olovnatého –PbSO
4
, na Pb
a SO
4
takže sa vrátia tam kam patria - olovo Pb na elektródy a SO
4
do elektrolytu. Hustota
elektrolytu sa zvýši, kapacita akumulátora sa obnoví až k výrobnej hodnote - ak akumulátor
nie iným spôsobom poškodený a nie je príliš starý.
Lítiové batérie
- 8 -
Lítiové batérie, alebo lítiový článok je druh primárneho (nenabíjacieho) galvanického článku,
v ktorom je anóda tvorená kovovým lítiom, alebo jeho zlúčeninami. V závislosti na zložení sa
napätie článku pohybuje od 1,5V do 3,7V. Lítiové články sa používajú všade tam, kde sa
vyžaduje dlhá životnosť, ako sú napríklad kardiostimulátory. Používajú sa vysoko
špecializované lítiové batérie s životnosťou 15 a viac rokov. V menej kritických aplikáciách sa
využívajú lacnejšie technológie.
Najčastejšie používaný článok využíva kovové lítium ako anódu a oxid manganičitý ako
katódu. Elektrolytom je lítiová soľ rozpustená v organickom rozpúšťadle. Malé lítiové batérie
sa používajú v malých elektronických zariadeniach ako hodinky, teplomery, diaľkové
ovládanie od áut, kalkulačky a tiež ako batérie pre záložné napájanie hodín v počítačoch.
Lítiové batérie sú schopné dodať veľmi vysoké prúdy. To je síce žiadúce pri použití v
spotrebičoch s vysokým odberom, ale v prípade skratu sa môžu veľmi rýchle zohriať a
explodovať-preto sa do batérií vkladajú tepelné poistky, bezpečnostné ventily alebo stenčené
miesta, aby sa zabránilo možnej havárii.
Batéria lítiová: Štruktúra článku Lítium-Metal (valcový typ):
Batéria primárna - nenabíjateľná
Lítiové valcové batérie
Špirálová konštrukcia
Rôzne typy batérií Li/MnO2
Valcové batérie typ (CR 2/3 AH).
- 9 -
Batéria Lítiová: Štruktúra článku Lítium-Metal (gombíkový typ):
Záporná elektróda: kov lítia
Kladná elektróda: dioxid mangánu (MnO
2
)
Separátor: polyetylén, polypropylén
Elektrolyt: propylén carbonát alebo dimethoxyethan alebo Lítium triflat
Princíp: Používa dioxid manganičitý (MnO
2
) ako aktívny a pozitívny materiál a lítium (Li) ako
aktívny záporný materiál.
Batéria lítiová: Štruktúra článku Lítium-Metal (valcová):
Záporná elektróda: kovové lítium
Kladná elektróda: dioxid mangánu (MnO
2
)
Separátor: polyetylén, polypropylén
Elektrolyt: propylén carbonát alebo dimethoxyethan
Články s dioxidom mangánu majú anódu z kovového lítia (Li) (najľahšieho z kovov) a pevnú
katódu z dioxid mangánu (MnO
2
), ponorenú do organického elektrolytu, ktorý je nekorozívny
a netoxický. Poskytujú napätie 2.8 -3V, majú valcovitý tvar a rozmer 1/2 AA a D, vnútornú
špirálovú sústavu sú nenabíjateľné a často používané.
Princíp: Využívajú dioxid mangánu (MnO
2
),ako pozitívny, aktívny materiál a lítium (Li) ako
materiál aktívny negatívny.
- 10 -
Batérie lítiové: Štruktúra článku Lítium-Metal (špirálový typ):
Elektróda pozitívna: Tionyl chlorid (SOCL
2
)
Elektróda negatívna: Kovové lítium
Elektrolyt: Thionyl chlorid
Články Lítium-thionyl chloridové, majú anódu z kovového lítia (najľahšieho z kovov) a tekutú
katódu obsahujúcu porézný zberač (kolektor) prúdu naplnený thyonilchloridom (SOCl
2
).
Poskytujú napätie 3,6 V, majú valcový tvar, rozmer 1/2AA a D, špirálové usporiadanie
vnútorných elektród za účelom dosiahnutia vyššieho výkonu a dlhšieho času vybíjania, nie sú
nabíjateľné, ale hustotu uchovávanej energie sú schopné udržať 15 až 20 rokov. [23]
- 11 -
Spínané zdroje
Spínané zdroje využívajú spínací prvok (tranzistor), ktorý pomerne vysokou frekvenciou
(desiatky kHz a viac) periodicky zopína a rozpína vstupné napätie do obvodu pozostávajúceho
z kombinácie cievky, kondenzátora a diódy. Vhodnou kombináciou týchto prvkov je možné
dosiahnuť zníženie napätia (tzv. step-down, alebo buck regulator) aj zvýšenie napätia (tzv. step-
up, boost regulator).
Iným druhom spínaných zdrojov je zdroj s transformátorom a následným diódovým
usmerňovačom, kde sa využívajú výhodné vlastnosti (menšie rozmery transformátora pri
veľkých prúdoch, menšie magnetické straty) moderných magnetických materiálov (ferity) pri
vysokých frekvenciách.
Zmenou frekvencie je možné v týchto zapojeniach dosiahnuť zmenu výstupného napätia.
Súčasťou zdroja je preto obvod (obvykle v podobe integrovaného obvodu), ktorý zabezpečuje
zmenu frekvencie na základe spätnej väzby z výstupného napätia tak, aby sa zabezpečilo
stabilné výstupné napätie pri rozličnom zaťažení.
Keďže spínané zdroje pracujú s pravouhlými priebehmi napätí a prúdov, majú tendenciu
vyžarovať elektromagnetické vlny v širokom spektre frekvencií. Pri ich konštrukcii a použití je
preto potrebné zachovávať zásady elektromagnetickej kompatibility (EMC).
Všeobecne platí, že každý spínaný zdroj pozostáva z týchto 5 častí:
1. Ovládací obvod pre riadenie šírky impulzu (ovládanie PWM)
2. Spínacie tranzistory (Spínač)
3. Indukčné cievky (Induktor)
4. Kondenzátory (Kapacita)
5. Diódy (Diódy Schottkyho)
Šírková impulzná regulácia (PWM) realizuje pomocou IC reguláciu výkonu. Spínacie
tranzistory sú srdcom obvodov a ovládajú dodávku výkonu do záťaže. MOSFETy sa používajú
viac než BJT ktoré sa používajú do výkonu 50W. Výber tranzistorov by mal mať ťažisko v
rýchlych súčiastkach odolných napäťovým špičkám, ktoré produkujú cievky.
Cievky používané vo filtroch znižujú zvlnenie prúdu. Prúd cievkou sa nemôže rýchlo meniť.
Keď má prúd v cievke tendenciu klesať, cievka sa snaží prúd udržať sa správať sa ako zdroj.
Cievky používajú toroidné jadrá z feritu, aby sa znížili straty pri vyšších frekvenciách.
Kondenzátory sa používajú na filtráciu zvlnenia na výstupe. Musia mať kvalitné dielektrikum
(Tantal) a nízku hodnotu ESR (Efektívny sériový odpor).
Usmerňovacia funkcia diód, tu musí byť súčasťou s ich vysokou regeneračnou schopnosťou pri
komutácii. (Schottkyho diódy).
Spínané zdroje – charakteristika:
a) Môžu znížiť neregulované jednosmerné napätie na viac regulované jednosmerné
napätie prostredníctvom jednosmerného meniča známeho ako "Buck Regulator".
b) Môžu zvýšiť neregulované jednosmerné napätie na vyššie jednosmerné napätie a
regulovať cez obvod prevodníka pomocného napájania, ktorý je známy ako regulátor
"Boost Regulator".
- 12 -
c) Môžu zvyšovať alebo znižovať neregulované DC napätie na regulované DC napätie.
d) Môžu invertovať neregulované jednosmerné napätie na jednosmerné napätie opačnej
polarity cez obvod známy ako "Cuk Regulator".
e) Môžu produkovať viaceré jednosmerné výstupy priamo z AC siete cez obvod známy
ako "Flyback Converter".
f) Používajú sa aj v obvodoch riadenia otáčok jednosmerného motora a obvodoch
výkonových faktorov jednotky. Správna spínacia frekvencia je vyššia ako 20 kHz.
Podľa spôsobu činnosti sú vyrábané tri typy:
a) Akumulačné (označované tiež ako blokujúce alebo nepriepustné)
b) Priepustné
c) Dvojčinné
Podľa zapojenia výstupných obvodov (spínačov, transformátorov, tlmiviek) môžu byť:
a) Nerezonančné spínané zdroje
b) Rezonančné spínané zdroje
Nerezonančné spínané zdroje, majú kmitočet spínania stály v rozsahu desiatok kHz a
dosahujú výkony až desiatok kW. Hustota výkonu v objemovej jednotke býva okolo
0,2 kWcm
-3
.
Rezonančné spínané zdroje majú kmitočet spínania premenný v rozsahu stoviek kHz a výkony
v desiatkach wattov. Keď nie je rezonancia jednoznačne vyjadrená obvodovými súčiastkami
ide o napájače kvazirezonančné.
Podľa činnosti rezonančných spínačov rozlišujeme:
a) Zdroje spínané pri priechode krivky napätia nulou
b) Zdroje spínané pri priechode krivky prúdu mulou
c) Spínané zdroje planárne
Spínané zdroje – výhody: Malé rozmery a hmotnosť pri danom výkone. Vysoká účinnosť 70
až 97% (tranzistory (FET) vo funkcii spínačov, pracujúce medzi stavom rozpojenia a saturácie,
s nízkou výkonovou stratou). V závislosti od efektívnosti, nižšie náklady (ekonomicky výhodné
pre obvody, ktorých spotreba je väčšia ako 20W).
Spínané zdroje – nevýhody: Kritické súčiastky (transformátory a integrované ovládanie) nie
jednoduché získavať na trhu. Elektronické obvody sú komplexnejšie (zložitejší návrh).
Náročnejšia údržba v porovnaní s lineárnymi zdrojmi. V prípade poškodenia, sa zariadenie
stáva často nepoužiteľné (pokiaľ nebolo dostatočne chránené).
Striedavé sieťové napätie s kmitočtom 50 Hz sa najskôr usmerní a kondenzátorom filtruje.
Potom sa pomocou spínacieho tranzistora signál prevedie na striedavý obdĺžnikový priebeh.
Kmitočet spínania býva 20 kHz až 1 MHz. Obdĺžnikové napätie sa transformuje impulzným
transformátorom a rýchlym usmerňovačom sa usmerní. Vyfiltrované napätie sa sníma a v
komparátore sa porovnáva s referenčnou hodnotou. Pri prípadnej odchýlke sa mení buď
kmitočet alebo častejšie strieda impulzov tak, aby sa výstupné napätie stabilizovalo na
požadovanú hodnotu. Spínač, transformátor, výstupný usmerňovač a výstupný filter, tvoria tzv.
menič. Pretože riadiaca slučka zasahuje na primárnu stranu transformátora, musí byť z
- 13 -
bezpečnostných dôvodov galvanicky oddelená. To sa rieši ďalším transformátorom alebo
optrónom.
Rozdelenie spínaných zdrojov:
Spínané zdroje bez transformátora:
a) Invertujúce (BUCK – BOOST)
b) Znižujúce (STEP – DOWN)
c) Zvyšujúce (STEP – UP)
Spínané zdroje s transformátorom:
a) Blokujúce (FLYBACK)
b) Priepustné (FORWARD)
Dvojčinné meniče s transformátorom:
a) Push – Pull
b) Polomost (HALF – BRIDGE)
- 14 -
c) Plný most (FULL – BRIDGE)
Rezonančné spínacie zdroje:
a) Meniče so spínaním v nule prúdu
b) Meniče so spínaním v nule napätia
Spínané zdroje – základné súčiastky spínacích zdrojov: Pre optimálne vlastnosti,
spoľahlivú funkciu a čo najlepšiu účinnosť sú potrebné určité parametre obvodových
súčiastok spínaných zdrojov. Sú to súčiastky ktoré musia mať vlastnosti lepšie ako súčiastky
pre bežné elektronické obvody.
Týmito jednoduchými súčiastkami, môžeme vytvoriť najčastejšie topológie spínaných zdrojov:
a) Polovodičové diódy (Schottkyho rýchle diódy)
b) Bipolárne výkonové tranzistory
c) Unipolárne výkonové tranzistory
d) Impulzné transformátory
e) Riadiace obvody meničov
Súčiastky musia mať predovšetkým vhodné dynamické parametre, pretože sú v obvodoch
spínaných zdrojov vystavené extrémnym dynamickým hodnotám zvýšeného napätia a veľkým
prúdovým strmostiam.
Diódy: Používajú sa veľmi rýchle epitaxné diódy a diódy Schottkyho ktoré majú kvalitné
dynamické parametre. Hlavnou funkciou diódy je usmernenie prúdu, (vedenie prúdu jedným
smerom).Reálna dióda vykazuje v priepustnom smere malý odpor, v závernom smere veľmi
veľký odpor.
Pri polarizácii diódy v priepustnom smere, vzniká na dióde úbytok napätia veľkosti 0,3 až
1,2 V, podľa materiálu diódy (Si alebo Ge) a veľkosti pretekajúceho prúdu.
Pri polarizácii v závernom smere, tečie diódou malý záverný prúd veľkosti nA (Si) alebo
niekoľko mA (diódy Schottky).
Diódy musia mať veľmi krátke zotavovacie časy a ostatné parametre včítane stratového výkonu
a musia byť schopné pracovať v impulzných režimoch.
Bipolárne tranzistory: Bipolárne tranzistory spínaných zdrojov by sa mali svojimi
parametrami blížiť k vlastnostiam ideálnych spínačov-nulový odpor v zopnutom stave,
nekonečný odpor v stave nevodivom, nulové spínacie straty. To je pri skutočných prvkov
nesplniteľné.
Rozhodujúcimi parametrami spínacích bipolárnych tranzistorov pre spínané zdroje sú:
maximálne prípustné napätie U
CEmax
,dosiahnuteľné saturačné napätie v zopnutom stave U
CEsat
,
kolektorový maximálny prúd I
cmax
a maximálna výkonová strata P
Cmax
.
K uvedeným parametrom patria tiež parametre dynamické-spínacia rýchlosť-pracovný
kmitočet a dynamické parametre pri zapínaní a vypínaní.
- 15 -
Saturačné napätie v zopnutom stave, U
CEsat
býva až niekoľko voltov, napätie U
CEmax
má často
hodnotu až 750 V podľa zapojenia zdroja. Tranzistory. ktoré sú pre funkciu zdrojov spínaných
z hľadiska prevádzky spoľahlivé sú špeciálne vysokonapäťové tranzistory.
V konkrétnych zapojeniach je vždy potrebné zaistiť bezpečný pracovný režim tranzistorov
predovšetkým v kritických fázach činnosti, ktorými sú prechodové fázy-spínanie a rozpínanie
v pracovnom cykle, najmä pri indukčnej záťaži, kde sú tranzistory ohrození vysokými
hodnotami možného prepätia čiže napäťovým prierazom.
Unipolárne tranzistory FET: Výhody unipolárnych tranzistorov proti bipolárnym vyplývajú
z analógových vlastností klasických tranzistorov FET. Používajú sa štruktúry s rôznymi
obchodnými názvami. Nevyžadujú prakticky žiadny budiaci výkon, je lepšia tepelná závislosť
a malý odpor kanálu v zopnutom stave (na rozdiel od saturačného napätia bipolárnych
tranzistorov). Ďalšou výhodou je aj väčšia dovolená strmosť prúdov pri spínaní a nemožnosť
prierazu.
Vnútorná štruktúra tranzistorov je vyhotovená tak, že pracovný kmitočet týchto prvkov
dosahuje skoro desaťkrát vyššiu hodnotu v porovnaní bipolárnymi tranzistormi. Maximálne
napätie do 1000 V a prúd do 200 A (nie naraz) a kmitočet 15 MHz.
Obrázok 2 Jednočinný menič blokujúci
- 16 -
Obrázok 3 Dvojčinný menič polomost
Obrázok 4 Budenie MOSFETov
Cievky spínaných zdrojov: Cievky patria k dôležitým obvodovým súčiastkam spínaných
zdrojov. Z dôvodu vysokého pracovného kmitočtu majú výlučne feritové jadrá, ktorých
straty sú výrazne menšie a obsahujú vzduchovú medzeru. Cievky v zapojeniach spínaných
zdrojov sú zdrojom energie a označujú sa ako cievky akumulačné v impulznom režime činnosti
odovzdávajúce energiu v obvode.
Pre menšie výstupné výkony zdrojov sa používajú aj vzduchové tlmivky. Pre malé hodnoty
prúdov sú používané hrnčekové jadrá pre väčšie uzavreté magnetické obvody alebo obvody so
vzduchovou medzerou. Pre rozmery cievok s magnetickým jadrom sú rozhodujúce parametre
µ a B ktoré sú závislé aj od kmitočtu f.
Princíp činnosti transformátora:
1. Na svorky vstupného (primárneho) vinutia pripojíme napätie U
1
, vinutím (je uzavreté)
začne prechádzať elektrický prúd I
1
2. Prechodom prúdu sa v okolí cievky vybudí magnetické tok Ф s rovnakou frekvenciou
ako má napájacie napätie a prúd, magnetický tok sa uzatvára magnetickým obvodom
3. Časová zmena mg. toku indukuje vo vstupnej cievke ui1 a aj v závitoch výstupnej
cievky sa indukuje napätie ui2
- 17 -
4. Po pripojení záťaže na výstupné vinutie začne obvodom prechádzať prúd I
2
Obrázok 5 Transformátor
Podľa Ampérovho pravidla, elektrický prúd prechádzajúci vodičom vytvára okolo vodiča
magnetické pole vo forme siločiar tvaru sústredených kružníc. Podľa pravidla pravej ruky –
pravú ruku priložíme na vodič tak, že palec ukazuje smer prúdu potom prsty ukazujú smer
indukčných čiar.
Obrázok 6 Ampérovo pravidlo pravej ruky
Impulzný transformátor predstavuje hlavnú súčiastku impulzných zdrojov pokiaľ je v
zapojení. Pracovná kmitočtová oblasť spínaných zdrojov (desiatky až stovky kHz) vylučuje pre
neúnosné straty, možnosť použiť jadrá transformátorov z bežných plechov.
Takmer výhradne sa používajú pre jadro trafa v tomto prípade ferity, ktorých straty vírivými
prúdmi a hysterézne sú výrazne menšie. Hlavným nedostatok feritov, malé prípustné sýtenie
B a malá permeabilita µ, sa dá eliminovať voľbou pracovného kmitočtu (S⁓ 1/f). Používajú
sa manganatozinočnaté ferity z hmoty H22 kde µ =2 200, B
sat
= 0,3 T. Pre menšie výkony sa
používajú jadrá hrnčekové a pre vyššie výkony jadrá typu E s guľatým alebo hranatým stredným
stĺpikom. Vinutie s veľkým prierezom sekundárneho vinutia. Magnetické sýtenie sa volí tak
aby B
max
< B
sat
.
- 18 -
Prierez jadra určujeme zo vzťahu:
f: kmitočet [Hz]
S: prierez jadra [cm
2
]
B: magnetická indukcia [Tesla]
P: výkon trafa [W]
Metodológia meničov: V zásade existujú dve metódy premeny. Prvá z nich je metóda
“priepustná” (Forward-Mode) pri ktorej je zdroj cez LC obvod pripojený prostredníctvom
spínacieho prvku (T) priamo na záťaž a druhá ”blokujúca” (Flyback-Mode) s rovnakými
obvodovými prvkami avšak v inom zapojení. Obe majú svoje výhody a nevýhody.
K dispozícii je tiež metóda, ktorá privedie napätie na záťaž v oboch časových intervaloch a
kombinácia oboch predchádzajúcich metód.
Pri priepustnej metóde pripája tranzistor (T) napätie zdroja na záťaž počas časového intervalu
“zap”.
Pri blokujúcej metóde sa počas intervalu zopnutia tranzistora “zap” pripája napätie zdroja a
preto ukladá energia do indukčnosti L a C poskytuje energiu záťaži, pričom v intervale
tranzistora “vyp” energia z indukčnosti L nabíja C a poskytuje energiu záťaži.
- 19 -
Prenosové charakteristiky priepustného meniča:
a) Výstupné napätie s malým zvlnením
b) Trvalý aktívny výstupný režim
c) Impulzný vstupný prúd
d) Použitie pre stredné a vyššie výkony
Charakteristiky blokovacieho meniča:
a) Výstupné napätie vysoko zvlnené
b) Trvalý aktívny vstupný režim
c) Impulzný charakter výstupného prúdu
d) Prúdové špičky dosahujú takmer dvojnásobok v porovnaní s priepustným meničom a
používa sa pre stredné a vyššie hodnoty výkonov (100 – 150 W).
Výber a voľba metódy meniča závisí vždy od konkrétnych technických okolností s uvážením
výhod a nevýhod jednotlivých typov.
Režimy činnosti spínaných zdrojov: Rozlišujeme dva režimy činnosti: Režim spojitý a režim
nespojitý.
V nepretržitom-spojitom režime prúd cez filter cievky nikdy nedosiahne nulu. Výstupné napätie
je priemer napäťových impulzov generovaných cievkou.
V diskontinuálnom-nespojitom režime sa prúd cez cievku zámerne odvádza na nulu, "vysychá"
a kondenzátor poskytuje napätie zaťaženiu počas časti prevádzkového cyklu, čo spôsobuje
problémy s modelovaním priemerného výstupného napätia. Má určité výhody pre určité
aplikácie.
Stále existuje dômyselný, ale zložitý režim, ktorý je kombináciou týchto dvoch režimov.
Spôsoby ovládania: Existujú dva spôsoby ovládania. Metoda napäťová alebo prúdová a
ovládanie šírkovo impulznou moduláciou (PWM).
Napäťová metóda: spočíva na tom, že šírka riadiaceho impulzu je daná spätnoväzbovým
napätím z výstupu meniča ,ktoré je úmerné chybe výstupného napätia. Veľmi jednoduché, ma
však nevýhodu, zdroje na výstupe nesmú byť chránené pred skratom.
Prúdová metóda: spočíva na tom, že šírka riadiaceho impulzu (Duty Cycle) je daná
spätnoväzbovým napätím z výstupu meniča, ktoré je úmerné chybe výstupného napätia a
obmedzeniu výstupného prúdu.
- 20 -
Spínané zdroje bez transformátora: Zdroje s týmito meničmi sa vyznačujú priamou
galvanickou väzbou zo vstupu na výstup. Obsahujú štyri základné súčiastky - spínací
tranzistor, usmerňovacie diódy, filtračné tlmivky a kondenzátory. Používajú sa vo vysoko
účinných zdrojoch pre malé napätia (napr. meniče 5 V na 12 V s výkonom do 30 W).
Invertujúci menič: Energia je zhromažďovaná v elektrickom poli kondenzátora, alebo
v magnetickom poly tlmivky. Invertujúci menič využíva akumulačnú tlmivku L v ktorej sa
hromadí energia za čas T
a
a za čas T
b
sa prevedie cez usmerňovač do výstupného obvodu.
Obrázok 7 Invertujúci menič
Po zopnutí spínača S cievkou začína lineárne narastať prúd I
la
(za predpokladu, že cievka má
zanedbateľný ohmický odpor) – časový interval Ta . Na konci tohto intervalu dosiahne prírastok
prúdu v cievke L hodnotu ΔI
La
= U
1
/ L .T
a
V cievke je nahromadená energia a riadiaci obvod rozopne spínač-časový interval T
b
. Cievkou
tečie prúd I
Lb
, ktorý cez diódu D nabíja kondenzátor C na napätie U
Z
.
Prúd v cievke klesá
lineárne ΔI
Lb
= - U
Z
/ L . T
b
. Zo zákona zachovania energie je ΔI
La
= - ΔI
Lb
na základe čoho
dostaneme:
- 21 -
Výstupné napätie má opačnú polaritu ako napätie vstupné a je nezávislé od odoberaného prúdu.
Častejšie sa využíva modifikované zapojenie, kedy cievka je nahradená Transformátorom
(blokujúci menič FLYBACK) získa sa galvanické oddelenie.
Medzi výhody tohto zapojenia patrí jednoduchosť obvodového riešenia, malý počet súčiastok
a potreba len jednej cievky. Nevýhodami sú nutnosť rovnakého dodania a odoberania energie
z magnetického obvodu, stredne veľké rušenie vyžarovaním do okolia a väčšie straty
transformátora. Invertujúci menič je určený pre výkony do 30 W so širokým rozsahom
výstupného napätia.
Znižujúci menič: Pri tomto zapojení je dodávaná energia do výstupného obvodu počas oboch
časových intervalov T
a
aj T
b
. Po zopnutí spínača S (pre časový interval T
a
) sa akumulačnej
tlmivke objaví napätie:
a v tlmivke narastá lineárne prúd. Tento prúd má na konci časového intervalu T
a
max. veľkosť:
Obrázok 8 Znižujúci menič
Spínač S rozopne (začiatok intervalu T
b
) a záťaž je napájaná energiou akumulovanou v tlmivke
L cez rekuperačnú diódu D. Prúd v tlmivke klesá približne lineárne a za celý interval T
b
poklesne na:
zo zákona zachovania energie platí: ΔI
La
= ΔI
Lb
takže na výstupe bude napätie o veľkosti:
- 22 -
Výstupné napätie má oproti vstupnému napätiu rovnakú polaritu. Výhodou zapojenia je menšie
zvlnenie výstupného napätia (energia je dodávaná v obidvoch časových intervaloch T
a
aj T
b
)
má vyšší výkon a účinnosť ako invertujúci menič. Pri požadovanom galvanickom oddelení
výstupného obvodu, použijeme znižujúci menič s tranformátorom-označovaný ako priepustný
menič – FORWARD. Tu je však nevýhoda, že v obvodu sú dva induktívne prvky a obvod
spôsobuje vyššie rušenie vyžarovaním.
Dvojčinný menič využíva dva tranzistory, ktoré pracujú do symetrického primárneho vinutia
impulzného transformátora (push-pull), alebo sériového zapojenia (push-push) ktorému stačí
impulzný transformátor s jediným primárnym vinutím – v zapojení do polomostu, alebo
plného mostu. Sekundárne vinutie je vždy symetrické, usmerňovač je dvojcestný. Vzhľadom k
symetrii je možné jadro trafa magnetovať do kladných aj záporných hodnôt H a B. Tým je
možné využiť dvojnásobný zdvih magnetickej indukcie ΔB oproti jednoduchému
priepustnému meniču. Tým sa zmenší objem feromagnetického jadra (pri rovnakých
rozmeroch je prenášaný výkon dvojnásobný). Podobne aj zvlnenie výstupného napätia oproti
jednoduchému meniču je podstatne menšie. Veľmi pečlivo musia byť navrhnuté riadiace
obvody, aby bolo s istotou vylúčená možnosť súčasného zopnutia obidvoch tranzistorov – musí
byť dodržaný ochranný časový interval T
01
a T
02
.
Dvojčinný menič Push - Pull: Základnou súčiastkou zdrojov tohto typu je symetrické
primárne vinutie transformátora Pri zapojení Push – Pull sa nedá definovať šírka regulácie
pomocou pomeru časov T
a
/T
b
. Každá polovica primárneho vinutia je budená samostatným
tranzistorom T
1
a T
2
. Riadiaci obvod zaisťuje striedavé spínanie oboch tranzistorov, pričom
musí byť zachovaný ochranný interval T
0
. Účinnosť týchto zapojení býva veľmi vysoká až
do 80 %. Ďalšou výhodou je možnosť širokého rozsahu regulácie. Využívajú sa pri zdrojoch
pre PC do výkonu 250 – 300 W.
- 23 -
Obrázok 9 Základné zapojenie meniča Push – Pull
Obrázok 10 Budenie tranzistorov
T
01
a T
02
– ochranné časové intervaly
Základná zapojenie meniča – polomost: Podľa usporiadania jednotlivých súčiastok mosta sa
rozlišuje celý rad mostikových zapojení. Medzi najpoužívanejšie patria polomosty, kde
polovica mosta je tvorená dvomi spínacími tranzistormi a druhú polovicu tvoria dva
kondenzátory. V ich diagonále je zapojené primárne vinutie trafa. Stredná hodnota napätia na
kondenzátoroch je po zapnutí zdroja rovnaká U
C
= U
1
/ 2. Riadiace obvody zaisťujú striedavé
spínanie oboch tranzistorov a ochranný interval musí byť zachovaný.
- 24 -
Obrázok 11 Polomost
Proti predchádzajúcemu zapojeniu má polomost jediné primárne vinutie a vďaka symetrii je
vždy zaistené odmagnetovanie jadra trafa (C
1
a C
2
vždy rovnaké).
Základná zapojenie meniča – plný most: Základom zapojenia sú štyri rovnaké budiace
tranzistory a jedno primárne vinutie impulzného trafa. Primárne vinutie je zapojené do
diagonály mostíka v ktorého vetvách sú spínacie tranzistory. Riadiaci obvod zaisťuje súčasné
spínanie priečnej dvojice tranzistorov. Zapojenie plného mosta patrí medzi obvodovo zložité
(vysoké nároky na budiace tranzistory). Preto sa prakticky používa len pre veľké výkonové
zdroje s výkonom nad 400 W.
Obrázok 12 plný most
Rezonančné spínacie zdroje: Klasické spínané zdroje s impulzovo-šírkovou moduláciou,
majú okrem iných jeden nedostatok. Nedostatkom je prítomnosť parazitných reaktancií v ich
výkonovom obvode. Tieto reaktancie sú zdrojom energie, ktoré spôsobujú výkonové straty,
napäťové špičky a elektromagnetické rušenie, ktoré sa šíri po vodičoch a môžu byť tiež
vyžarované do okolia z meniča.
Jednou z modernejších metód aplikovaných v spíjaných zdrojoch je rezonančný a tiež
kvázirezonančný princíp. Meniče pracujúce na týchto princípoch odstraňujú problém s
narastajúcimi stratami, ktoré sú spojené so spínaním na vyšších kmitočtoch. Pri týchto
meničoch sa využíva princíp rezonancie kapacity a indukčnosti. Straty vznikajúce pri spínaní
- 25 -
sa obmedzujú tým, že rezonančná indukčnosť sa pripne a odpojí od rezonančného obvodu v
okamihu prechodu prúdovej krivky nulou touto indukčnosťou, alebo tým, že rezonančná
kapacita sa pripne a odpojí pri prechode napäťovej krivky nulou. Nevýhoda rezonančných
meničov spočíva vo zvýšených nárokoch na riadiace obvody a na ostatné súčiastky obvodu.
Rezonančné meniče obvodovo vychádzajú z klasických meničov. K pracovnému
akumulačnému prvku sa pridáva duálný prvok, ktorý s ním vytvorí rezonančný obvod s
rezonančným kmitočtom, ktorý odpovedá kmitočtu spínania. Napätie a prúd potom nemá
skokový charakter ale prechod spínania má tvar po častiach spojitý –podobný častiam
sínusovky.
Rozdelenie rezonančných meničov podľa princípu činnosti:
a) Meniče so spínaním v nule prúdu
b) Meniče so spínaním v nule napätia
Rozdelenie rezonančných meničov podľa princípu zapojenia:
a) Rezonančné meniče
b) Kvazirezonančné meniče
c) Multirezonančné meniče
Meniče so spínaním v nule prúdu: Rezonančná indukčnosť je zapojená do série so spínacím
tranzistorom S. Cievka L
r
a kondenzátor C
r
sú vložené ako rezonančné prvky. Čas medzi
zopnutím a rozpnutím spínača sa nemení. Tento čas je daný polovinou rezonančnej periódy.
Napätie na výstupe je dané časom zopnutia spínača. Sínusový priebeh prúdu má veľkú
vrcholovú hodnotu a preto aj veľkú efektívnu hodnotu.
Obrázok 13 Rezonančný menič so spínaním v nule prúdu
Meniče so spínaním v nule napätia: Rezonančný kondenzátor je pripojený paralelne k
spínaciemu tranzistoru. Touto technikou je možné dosiahnuť vysoký spínací kmitočet. Cievka
L
r
je vložená rezonančná indukčnosť a C
r
je parazitná kapacita spínacieho tranzistora.
- 26 -
Obrázok 14 Rezonančný menič so spínaním v nule napätia
Akumulačný invertujúci menič so spínaním v nule prúdu: Pri rozopnutí spínača S je jeho
parazitná kapacita nabitá a energia v nej obsiahnutá sa zmarí v spínači. Činnosť meniča prebieha
v 4 krokoch:
1. Po zopnutí spínača v čase t
0
prúd I
r
lineárne narastá do času t1,lebo kondenzátor C
r
je
cez diódu D, ktorou prechádza prúd I
Z
pripojený na napätie U
Z
. Tento prúd je
generovaný tlmivkou L
0
. Až prúd dosiahne hodnotu prúdu I
Z
,dióda D sa uzatvorí
(záverný smer), čo nastane v čase t
1
.
2. Kondenzátor C
r
, sa nabíja na hodnotu napätia 2. U
1
– U
Z
. Priebeh prúdu od t
1
do t
2
je
sínusový. Kondenzátor C
0
sa nabíja na napätie U
C
. Keď dosiahne I
r
hodnotu nulovú –
spínač rozopína.
3. Do času t
3
sa stálym prúdom I
Z
cez tlmivku L
0
kondenzátor vybíja. Prúd tlmivku L
0
magnetuje a akumuluje v nej energiu. Horná svorka tlmivky je kladná a preto dióda D
uzatvorená. Keď klesne napätie na C
r
na hodnotu -U
Z
prestane sa vybíjať. Obráti sa
polarita na L
0
a dióda D je polarizovaná v priepustnom smere.
4. Prúd tlmivkou prechádza v rovnakom smere -.Uzatvára sa cez záťaž. V čase t
4
spínač
znovu spína.
- 27 -
Akumulačný kvázirezonančný menič s trafom a činnosťou v nule prúdu: Aktívny spínač
je tu nahradený rezonančným spínačom S. Spínač spína a rozpína v nule prúdu. Aj tu dochádza
k stratám na spínači, kde sa marí energia hromadená v parazitnej kapacite spínača.
Transformačný pomer n =1. Činnosť obvodu v 4 krokoch:
1. Diódou D
2
prechádza prúd z energie indukčnosti sekundárneho vinutia transformátora.
Na C
r
a sek. vinutí trafa je napätie U
Z
. V čase t
0
spína S. Do času t
1
narastá prúd lineárne.
Na sek. vinutí trafa sa v čase t
1
objaví napätie U
Z
. V tomto okamihu sú prúdy vtekajúce
a vytekajúce z trafa rovnaké. Dióda D
2
sa uzatvára lebo sa polarizuje do záverného
smeru.
2. L
r
a C
r
sú v rezonancii. Kondenzátor sa nabije z napätia U
Z
na napätie -2. V čase t
2
spínač S rozopína.
3. Cez sekundárne vinutie trafa sa vybije kondenzátor. Rekuperovaná energia z C
r
sa
hromadí v sekundárnom vinutí. Pretože je prúd vybíjajúci kondenzátor stály je
magnetizačný prúd transformátora tiež stály. Preto sa vinutí trafa nemení polarita.
4. Kondenzátor C
r
sa vybil. Magnetovací prúd však stále tečie pôvodným smerom cez D
2
a R
Z
, jeho hodnota klesá a mení sa polarita napätia na transformátore. Nasleduje
zopnutie spínača a opakovanie cyklu.
- 28 -
PFC "Korekcia účinníka": Účinník je v podstate viac-menej účinným meradlom toho, ako sa
elektrická energia používa. Vyšší faktor výkonu predstavuje väčšiu účinnosť pri používaní
elektrickej energie. "Korekcia účinníka" v spínaných zdrojoch, riadi časovanie a vlnovú formu
vstupného prúdu, aby sa udržal vo fáze a v rovnakej vlnovej forme napätia poskytovaného
striedavým prúdom, čo má za následok výkonový faktor blízky 1,0.
Bežné elektronické zariadenie bez PCF má výkonový faktor len asi 50% (0,5). Pasívnymi
súčiastkami však nie vždy možné spĺňať podmienky a požiadavky IEC noriem a normy
jednotlivých krajín. Z tohto dôvodu a aj z dôvodu veľkej hmotnosti a zastavaného objemuje
tento spôsob korekcie účinníka nahradený aktívnymi obvodmi PFC.
“Zlepšenie účinníka” PFC: Všetky striedavé signály prúdu a napätia odoberané zo siete a
filtrované kapacitnými filtrami, by mali byť sínusové, alebo čo najviac sa blížiť sínusovému
priebehu pre vyhovujúce hodnoty účinníka.
Pri klasickom zapojení zdroja s transformátorom usmerňovačom a vyhladzovaním pomocou
kondenzátora dostávame priebehy zobrazené na obrázku. Sínusovému napätiu siete sa
pridružujú prúdové špičky vyhladzovacieho kondenzátora, ktoré deformujú krivku prúdu.
Konvenčné riešenie je preto neefektívny proces, ktorý vedie k vysokým nákladom na elektrickú
energiu a skresleniu priebehov vo vedení striedavého prúdu, čo tiež vytvára široké spektrum
harmonických prúdov, ktoré môžu rušiť iné zariadenia, a faktor výkonu- účinník sa zníži na
približne 0,45.
- 29 -
Pasívny PFC (LC filter), využívajúci cievky, kondenzátorové obvody na zníženie
harmonických zložiek prúdu, 50 / 60 Hz frekvencia, striedavého prúdu vyžaduje veľmi vysoké
hodnoty indukčnosti cievok a kondenzátorov, aj tak by bol maximálny účinník bol nanajvýš
75 až 80 %.
Aktívny PFC, ktorý využíva aktívne komponenty (riadiaci obvod a sínusové spínače), ktorých
základnou teoretickou činnosťou je nastavenie priebehu prúdu na napätie vstupného
striedavého prúdu.
Výhody aktívneho zlepšenia účinníka (spínaním):
a) Vysoká eliminácia harmonických zložiek, použitím cievok s feritovými jadrami aj pri
vysokých kmitočtoch (25 až 250KHz a vyšších).
b) Vytvorenie predpokladov pre budúce zlepšenia ovládania pomocou IO.
c) Riešenie je profesionálnejšie než pasívne.
d) Univerzálnosť riešení znižuje náklady.
e) Účinník blížiaci sa 1 znižuje prevádzkové náklady a zlepšuje ekopodmienky.
Nevýhody pasívneho zlepšenia účinníka (LC):
a) Masová výroba indukčných cievok by mala mať vysokú kvalitu pre znižovanie
„znečistenia “ a emisie obvodov harmonickými zložkami.
b) Vysoká hmotnosť (vibrácie a shocky)
c) Spotreba feromagnetických a iných látok (lamináty) pre nf. cievky,
d) Vibrácie a hluk.
e) Nekonkurenčný pomer cena/výkon do výkonu 300 W. [24]
